hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/fpg/47v1-8k56-g93nhydrophysics-719Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSСвязь биооптических параметров вод Черного моря с характеристиками коэффициента яркости весной 2019 годаV. Relationships Between Bio-Optical Parameters of the Black Sea Waters and Spectral Reflectance Coefficient in Spring 2019https://orcid.org/0000-0003-0526-4083КорчемкинаЕ. Н.KorchemkinaE. N.

Корчемкина Елена Николаевна. Кандидат физико-математических наук, cтарший научный сотрудник

WoS ResearcherID: I‑1595–2015

Scopus AuthorID: 23004799100

299011, Капитанская ул., 2, г. Севастополь

Elena N. Korchemkina Ph.D (Phys-Math.), Senior Researcher

ResearcherID: I‑1595–2015

Scopus Author ID: 23004799100

2 Каpitanskaya Str., Sevastopol, 299011

 

korchemkina@mhi-ras.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4086-1687МаньковскаяЕ. В.MankovskayaE. V.

Маньковская Екатерина Викторовна. Кандидат технических наук, Старший научный сотрудник

WoS ResearcherID: AAB-5303-2019

Scopus Author ID: 57192647961

299011, Капитанская ул., 2, г. Севастополь

Ekaterina V. Mankovskaya Ph.D (Tech.), Senior Researcher

ResearcherID: AAB‑5303-2019

Scopus AuthorID: 57192647961

2 Каpitanskaya Str., Sevastopol, 299011

Emankovskaya@mhi-ras.ruМорской гидрофизический институт РАНРоссияMarine Hydrophysical Institute of RASRussian Federation20220910202215353–64Copyright © Корчемкина Е.Н., Маньковская Е.В., 20222022Корчемкина Е.Н., Маньковская Е.В.Korchemkina E.N., Mankovskaya E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/719

Представлен анализ натурных измерений спектрального коэффициента яркости Черного моря и  рассчитанных по нему биооптических и цветовых характеристик, а также концентраций хлорофилла-а и глубины видимости белого диска. Для различных по своим особенностям районов Черного моря представлены осредненные значения рассчитанных характеристик: эффективной и доминирующей длины волны в спектре излучения моря, чистоты цвета воды. При помощи разработанного ранее биооптического алгоритма рассчитаны концентрация хлорофилла-а, поглощение растворенным органическим веществом, обратное рассеяние взвесью, показатель вертикального ослабления света. Установлены обратные зависимости между глубиной видимости белого диска и коэффициентом яркости в максимуме, а также между глубиной видимости белого диска и доминирующей длиной волны. Получены линейные связи между концентрацией хлорофилла-а в поверхностном слое моря и эффективной и доминирующей длиной волны с высокими коэффициентами корреляции. Также установлена значимая связь между концентрацией хлорофилла-а и максимумом спектра коэффициента яркости. Среди корреляционных связей биооптических параметров с цветовыми характеристиками высокая корреляция наблюдается между показателем вертикального ослабления света и чистотой цвета. Рассчитанные по данным спектрального коэффициента яркости с применением полуаналитического алгоритма концентрации хлорофилла-а достаточно хорошо согласуются с данными натурных измерений. Сравнение расчетных и измеренных концентраций хлорофилла-а со спутниковыми продуктами оптических сканеров моря показывает завышение концентраций хлорофилла-а спутниковыми алгоритмами обработки данных. Полученные корреляционные связи могут применяться в дальнейшем для оценки биооптических параметров в северной части Черного моря.

The paper presents an analysis of field measurements of the spectral reflectance of the Black Sea and the bio-optical and colorimetric characteristics calculated from it, as well as chlorophyll concentrations and the Secchi disk depth. For the regions of the Black Sea with different characteristics, the averaged values of the calculated characteristics are presented: the effective and dominant wavelength in the reflectance spectrum, the purity of the water color. Using the previously developed bio-optical algorithm, the concentration of chlorophyll, absorption by dissolved organic matter, backscattering by suspended matter, and the vertical light attenuation coefficient were calculated.Inverse relationships are established between the Secchi disk depth and the maximum reflectance, as well as between the Secchi disk depth and the dominant wavelength. Linear relationships with high correlation coefficients are obtained between the surface chlorophyll concentration and the effective and dominant wavelength. A significant relationship was also established between the surface chlorophyll concentration and the maximum reflectance. Among the relationships between bio-optical and colorimetric parameters, a high correlation is observed between the vertical light attenuation coefficient and color purity.Chlorophyll concentrations calculated from the data of the spectral reflectance coefficient using a semi-analytical algorithm are in good agreement with the data of field measurements. Comparison of calculated and measured chlorophyll concentrations with satellite products of optical ocean color scanners shows an overestimation of chlorophyll concentrations by satellite data processing algorithms. The obtained correlations can be used in the future to assess bio-optical parameters in the northern part of the Black Sea.

концентрация хлорофилла-апоглощение растворенным органическим веществомобратное рассеяние взвесьюпоказатель вертикального ослабления светаэффективная длина волныдоминирующая длина волнычистота цветаchlorophyll concentrationabsorption by dissolved organic matterparticles backscatteringvertical attenuation coefficienteffective wavelengthdominating wavelengthcolor purityРабота выполнена в рамках государственного задания по темам № 0555-2021-0003 «Оперативная океанология» и № 0555-2021-0005 «Прибрежные исследования».The work was carried out within the framework of the state task on the topics No. 0555-2021-0003 “Operational Oceanology”” and No. 0555-2021-0005 “Coastal Research”.ReferencesGaraba S.P., Friedrichs A., Voß D., Zielinski O. Classifying Natural Waters with the Forel-Ule Colour Index System: Results, Applications, Correlations and Crowdsourcing // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2015. Vol. 12. P. 16096–16109. doi:10.3390/ijerph121215044Garaba S.P., Friedrichs A., Voß D., Zielinski O. Classifying natural waters with the Forel-Ule colour index system: Results, applications, correlations and crowdsourcing. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2015, 12(12), 16096–16109. doi:10.3390/ijerph121215044Woźniak S.B., Darecki M., Sagan S. Empirical formulas for estimating backscattering and absorption coefficients in complex waters from remote-sensing reflectance spectra and examples of their application // Sensors. 2019. Vol. 19. P. 4043. doi:10.3390/s19184043Woźniak S.B., Darecki M., Sagan S. Empirical formulas for estimating backscattering and absorption coefficients in complex waters from remote-sensing reflectance spectra and examples of their application. Sensors. 2019, 19(18), 4043. doi:10.3390/s19184043Van der Woerd H.J., Wernand M.R. Hue-angle product for low to medium spatial resolution optical satellite sensors // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, N 2. P. 180. doi:10.3390/rs10020180Woerd H.J.v.d., Wernand M.R. Hue-angle product for low to medium spatial resolution optical satellite sensors. Remote Sensing. 2018, 10, 180. doi:10.3390/rs10020180Woerd H.J.v.d., Wernand M.R. True colour classification of natural waters with medium-spectral resolution satellites: SeaWiFS, MODIS, MERIS and OLCI // Sensors. 2015. Vol. 15, N 10. P. 25663–25680. doi:10.3390/s151025663Woerd H.J.v.d., Wernand M.R. True colour classification of natural waters with medium-spectral resolution satellites: SeaWiFS, MODIS, MERIS and OLCI. Sensors. 2015, 15, 25663–25680. doi:10.3390/s151025663Маньковский В.И. Цветовые характеристики вод и их корреляции с относительной прозрачностью // Океанология. 2017. Т. 57, № 5. C. 679–682. doi:10.7868/S003015741705001XMankovsky V.I. Color characteristics of waters and their correlation with Secchi depth. Oceanology. 2017, 57, 5, 611–614. doi:10.1134/S0001437017050101Maritorena S., Siegel D.A., Peterson A.R. Optimization of a semianalytical ocean color model for global-scale applications // Applied Optics. 2002. Vol. 41, N 15. P. 2705–2714. doi:10.1364/ao.41.002705Maritorena S., Siegel D.A., Peterson A.R. Optimization of a semianalytical ocean color model for global-scale applications. Applied Optics. 2002, 41(15), 2705. doi:10.1364/ao.41.002705Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnology and Oceanography. 1977. Vol. 22. P. 709–722. doi:10.4319/lo.1977.22.4.0709Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color. Limnology and Oceanography. 1977, 22, 709–722. doi:10.4319/lo.1977.22.4.0709Ли М.Е., Шибанов Е.Б., Корчёмкина Е.Н., Мартынов О.В. Определение концентрации примесей в морской воде по спектру яркости восходящего излучения // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 6. С. 17–33. doi:10.22449/0233-7584-2015-6-17-33Lee M.E., Shybanov E.B., Korchemkina E.N., Martynov O.V. Determination of the concentration of seawater components based on upwelling radiation spectrum. Physical Oceanography. 2015, 6, 15–30. doi:10.22449/1573-160X‑2015-6-15-30Определение относительной прозрачности и цвета морской воды // Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. C. 299–303.Determination of the relative transparency and color of seawater. Guide for Hydrological Works in the Oceans and Seas. Leningrad, Gidrometeoizdat. 1977, 299–303 (in Russian).O’Reilly J.E., Maritorena S., Mitchell B.G., Siegel D.A., Carder K.L., Garver S.A., Kahru M., McClain C.R. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS // Journal of Geophysical Research. 1998. Vol. 103. P. 24937–24953. doi:10.1029/98JC02160O’Reilly J.E., Maritorena S., Mitchell B.G., Siegel D.A., Carder K.L., Garver S.A., Kahru M., McClain C.R. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS. Journal of Geophysical Research. 1998, 103, 24937–24953. doi:10.1029/98JC02160Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm) // Applied Optics. 1981. Vol. 20. P. 177–184. doi:10.1364/AO.20.000177Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm). Applied Optics. 1981, 20, 177–184. doi:10.1364/AO.20.000177Churilova T., Suslin V., Krivenko. O., Efimova T., Moiseeva N., Mukhanov V., Smirnova L. Light absorption by phytoplankton in the upper mixed layer of the Black Sea: Seasonality and parametrization // Frontiers in Marine Science. 2017. Vol. 4. Art. 90. doi:10.3389/fmars.2017.00090Churilova T., Suslin V., Krivenko O., Efimova T., Moiseeva N., Mukhanov V., Smirnova L. Light absorption by phytoplankton in the upper mixed layer of the Black Sea: Seasonality and parametrization. Frontiers in Marine Science. 2017, 4, 90. doi:10.3389/fmars.2017.00090Оптика океана / Под ред. Монина А.С. Т. 1. Физическая оптика океана. М.: Наука, 1983. 371 с.; Т. 2. Прикладная оптика океана. М.: Наука, 1983. 236 с.Ocean Optics, Vol. 2. Applied Optics of the Ocean / A.S. Monin, Ed. Moscow, Nauka, 1983, 208–234 (in Russian).Churilova T., Moiseeva N., Efimova T., Suslin V., Krivenko O., Zemlianskaia E. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in the Crimean coastal waters (the Black Sea) // Proceedings of SPIE23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, Irkutsk, Russia, 30 November 2017 (104664B). doi:10.1117/12.2288339Churilova T., Moiseeva N., Efimova T., Suslin V., Krivenko O., Zemlianskaia E. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in coastal waters of Crimea (the Black Sea). Proceedings of SPIE23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, Irkutsk. Russia, 30 November 2017 (104664B). doi:10.1117/12.2288339Шифрин К.С. Глубина видимости белого диска и цвет моря // Введение в оптику океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. C. 23–30.Shifrin K.S. Secchi disk depth and ocean color. Introduction to the Ocean Optics. Leningrad, Gidrometeoizdat. 1983, 23–30 (in Russian).Smith T., Guild J. The C.I.E. colorimetric standards and their use // Transactions of the Optical Society. 1931. Vol. 33, N 3. P. 73–134. doi:10.1088/1475–4878/33/3/301Smith T., Guild J. The C.I.E. colorimetric standards and their use. Transactions of the Optical Society. 1931, 33 (3), 73–134. doi:10.1088/1475-4878/33/3/301Отчет о работах в 106-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий» (18 апреля — 13 мая 2019 г.). Севастополь: Минобрнауки РФ, ФИЦ ИнБЮМ, ФГБУН ФИЦ МГИ. 2020. С. 110–123.Report on the work in the 106th cruise of the R/V “Professor Vodyanitsky” (April 18 — May 13, 2019). Sevastopol, Ministry of Education and Science of the Russian Federation, A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS, Marine Hydrophysical Institute of RAS. 2020, 110–123.Ерлов Н.Г. Оптика моря. Л: Гидрометеоиздат, 1980. С. 148–156.Jerlov N.G. Marine optics. Leningrad, Gidrometeoizdat. 1980, 148–156 (in Russian).Маньковский В.И., Толкаченко Г.А., Шибанов Е.Б., Мартынов О.В., Корчемкина Е.Н., Яковлева Д.В., Калинский И.А. Оптические характеристики прибрежных вод и атмосферы в районе Южного берега Крыма в конце летнего сезона 2008 года // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 3. С. 52–74.Man’kovskii V.I., Tolkachenko G.A., Shibanov E.B., Martynov O.V., Korchemkina E.N., Yakovleva D.V., Kalinskii I.A. Optical characteristics of coastal waters and atmosphere near the south coast of the Crimea at the end of summer 2008. Physical Oceanography. 2010, 20, 207–230. doi:10.1007/s11110-010-9079-xУрденко В.А., Халтурин В.И., Афонин Е.И. Эмпирические взаимосвязи между гидрооптическими и биологическими характеристиками и параметрами светового поля // Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы / Под ред. В.А. Урденко, Г. Циммермана. Берлин: Ин-т космич. иссл. АН ГДР, 1985. С. 209–250.Urdenko V.A., Haltrin V.I., Afonin E.I. Empirical relationships between hydro-optical and biological characteristics and parameters of the light field. Optical Remote Sensing of the Sea and the Influence of the Atmosphere / V.A. Urdenko, G. Zimmerman Ed. Berlin, Institute for Space Recearch Academy of Sciences of GDR. 1985, 209–250.Суслин В.В., Чурилова Т.Я., Ли М.Е., Мончева С., Финенко З.З. Концентрация хлорофилла-а в Черном море: сравнение спутниковых алгоритмов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 64–72. doi:10.7868/S2073667318030085Suslin V.V., Churilova T. Ya., Lee M., Moncheva S., Finenko Z.Z. Comparison of the Black Sea chlorophyll-a algorithms for SeaWiFS and MODIS instruments. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2018, 11, 3, 64–72. doi:10.7868/S2073667318030085 (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.